刀具磨損原理及刀具磨損檢測方法

王丹 楊林

摘要：在機械加工中，刀具的質量對所加工產品的質量影響尤為明顯，因此人們極其重視對刀具破損或磨損狀態的監控。刀具磨損機理及刀具耐用度是研究刀具檢測方法的理論基礎，目前就刀具磨損的檢測研究比較熱門，檢測方法也比較多。現對刀具磨損和刀具耐用度的基本知識及常用刀具磨損檢測方法進行整理綜述。

關鍵詞：刀具磨損；刀具耐用度；刀具檢測

中圖分類號：TG71文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.014

切削加工是最常用的機械加工方法，因此切削刀具在加工中的作用顯得尤為重要，它的使用壽命將對機械產品的生產質量產生直接影響，從而影響生產制造技術水準和經濟效益。刀具嚴重磨損可引起刀具的破壞，刀具的破壞會導致工件報廢同時會損傷昂貴的設備， 更嚴重的后果是會影響機床的正常使用。因此，對刀具磨損及破損狀態的監控越來越引起人們的重視。

1刀具磨損與刀具耐用度

刀具在切削過程中與切屑工件之間產生劇烈的擠壓、摩擦，從而產生磨損。刀具磨損后，會縮短刀具的使用時間，降低表面質量，增加刀具材料的損耗，因此，刀具磨損是影響生產效率、加工質量和生產成本的一個重要因素。

1.1刀具磨損

刀具磨損可分為正常磨損和非正常磨損。正常磨損是指刀具在設計與使用合理、制造與刃磨質量符合要求的情況下，在切削過程中逐漸產生的磨損。刀具正常磨損主要包括：前面磨損，后面磨損，前、后面同時磨損三種形式。非正常磨損亦稱刀具破損，一般屬于非正常失效，刀具破損大多與使用不當有關。

1.2刀具耐用度

刀具在使用過程中，刀具磨損到一定程度就無法繼續使用，我們把這樣的一個磨損限度稱為刀具的磨鈍標準。刀具耐用度指刀具從開始切削使用直到達到磨鈍標準時耗費的總切削時間。磨損速度越慢則表示刀具的耐用程度越高，因此刀具的耐用度是衡量刀具切削性能的一項重要指標。

1.3刀具耐用度合理數值的確定

當刀具耐用度一定時，為了提高生產率，應首先考慮增大背吃刀量，其次是增大進給量，然后根據耐用度、已定的背吃刀量和進給量確定切削速度。這樣既能保持刀具耐用度，發揮刀具切削性能，又能提高生產率。由于刀具耐用度確定的太低和太高都會使生產率降低，因此，刀具耐用度存在一個合理數值。

確定刀具耐用度合理數值的方法一般有兩種：一是根據加工一個零件花費時間最少的觀點來制定刀具耐用度，稱為最大生產率耐用度。二是根據加工一個零件的成本最低的觀點來制定刀具耐用度，稱為最低成本耐用度。生產中常采用最低成本耐用度，只有當生產任務緊急或生產中出現不平衡環節時，才選用最低生產率耐用度。

2刀具檢測方法綜述

目前生產實踐及研究中常用到的測量刀具磨損狀態的方法大致分為兩類，即直接測量和間接測量。

2.1刀具直接測量法

采用直接測量法是指，隨著刀具切削加工的使用，刀刃表面粗糙度，刀刃表面狀態，以及刀具幾何尺寸都會產生一定程度的變化，通過檢測刀具的這些變化進而監測到刀具磨損狀態。表1歸納了幾種針對刀具直接檢測方法的測量原理、特點及適用場合。

2.2刀具間接測量法

在實際生產中，為了既不影響加工過程又能保證加工質量，對刀具磨損狀態的監測往往采用測量與刀具磨損狀態相關的中間參量。表2歸納了幾種針對刀具間接檢測方法的測量原理、特點及適用場合。

檢測方法檢測原理特點適用場合

機械式測量法用量具對刀具的各個角度的變化，刀具表面粗糙度的變化，以及刀刃幾何尺寸變化等進行測量優點：設備簡單、易于操作、成本低缺點：誤差較大只適用于加工精度要求較低的場合

刀具工件間距測量法在加工過程中隨著刀具的磨損，用超聲波測量儀、電感位移傳感器等進行測量刀具與工件之間不斷減小的距離優點：測量精度高缺點：靈敏度易受工件尺寸、工件表面質量、冷卻液等因素的影響適用于加工條件穩定，加工精度要求較高的場合

電阻測量法利用待測切削刃與傳感器接觸產生的電信號脈沖，來監測刀具的實際磨損狀態優點：傳感器價格低，測量快捷缺點：傳感器要求高，工作穩定性差適用于加工精度要求較高的場合

光學投影法將刀具圖像經過光學放大后投影到屏上進行測量，得到其尺寸優點：操作簡單，結果直觀缺點：誤差較大，且測量效率低適用于刀具直徑較大的場合

射線測量法刀具材料內添加放射性物質，放射性物質隨刀具磨損脫落。射線測量器通過測得的放射性物質含量反應刀具磨損的情況優點：可以測量刀具磨損量缺點：不能準確測定切削刃狀態，放射性物質對環境污染大適用于某些特殊場合，不宜廣泛采用

切削力檢測法根據刀具磨損速率與切削力增長速度的關系判斷刀具處于正常磨損還是劇烈磨損階段優點：抗干擾，精度高，可以在線檢測 缺點：安裝傳感器需要對機床進行改動適用于特殊需要的精密加工

電流信號測量法機床消耗的功率或電流的變化與刀具磨損有關，利用感應電動機的定子電流作為信號分析的切入點，研究其特征與故障的關系，實現在線監測優點：測試方便，信息集成度高，價格低，不受環境影響 缺點：對刀具磨損進行定性分析不能進行定量分析適用于一般傳感器比較困難安裝的場合

聲發射檢測法材料在切削過程中，伴隨切屑的形成會發出一種斷裂波。利用聲發射檢測傳感器對這種斷裂波振動的變換進行分析，從而監測刀具的磨損狀態優點：靈敏度高，響應快，安裝方便，不干涉切削加工過程缺點：對刀具磨損只能定性分析不能定量分析適用于高端機床

熱電壓測量法刀具和工件是由不同的材料構成，刀具與工件之間可以產生一個與切削溫度相關的熱電壓，隨著刀具磨損量的增大，熱電壓也隨之增大優點：價格便宜， 精度較高，使用簡便缺點：對傳感器材料及精度要求高，只能進行間隔式檢測

適用于加工精度要求較高，加工速度較高的場合

3結語

刀具監控技術正在向著智能化、實用化、網絡化的方向快速發展。綜上所述，刀具檢測方法各有其優缺點和不同的適用范圍，在實際應用中應根據具體情況選用最適當的刀具狀態測量方法。為了在生產現場對刀具狀態進行更精確、更方便、更及時的測量，研究并開發適合多工藝加工過程的刀具狀態監測系統，是未來刀具磨損檢測技術研究的方向。

參考文獻：

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